黃妹英 ,段云博 ,梁瓊月 ,黃仕訓(xùn) ,陳 哲 ,劉長秋*

(1 廣西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,廣西桂林 541001;2 中國科學(xué)院 廣西植物研究所,廣西桂林 541006;3 中國科學(xué)院 昆明植物研究所,昆明 650201)

大多數(shù)被子植物的有性繁殖依賴動(dòng)物傳粉,其中鳥類傳粉現(xiàn)象在熱帶和亞熱帶相對常見和廣布[1]。鳥媒植物常為艷麗的紅色或橘色、無氣味、花蜜豐富而稀薄并具有明顯的管狀構(gòu)造,即“鳥媒綜合征”[2]。中國鳥媒研究相對滯后,有關(guān)鳥類訪花或傳粉的報(bào)道在2010年后才陸續(xù)出現(xiàn),主要涉及杜鵑花屬(Rhododendron)、紅花荷屬(Rhodoleia)、山茶屬(Camellia)、櫻屬(Cerasus)、米團(tuán)花屬(Leucosceptrum)和枇杷屬(Eriobotrya)等類群[3-9],還有很多疑似鳥媒的物種待發(fā)現(xiàn)。深入了解中國植物與鳥類傳粉者的互作將促進(jìn)人們對鳥類和植物的生態(tài)功能的認(rèn)知,也為自然科普活動(dòng)和觀鳥游等提供背景知識。另外,鳥媒植物常因其艷麗的花色而成為頗受青睞的園林植物。國外引進(jìn)的植物可能帶來潛在的生態(tài)威脅,因此園林植物運(yùn)用“本土化”是一個(gè)趨勢[10]。因此,選取本土鳥媒植物進(jìn)行園林應(yīng)用必然是更好的選擇,這就需要對本土植物與訪花鳥類的互作有基本的了解?；鸢鸦?Colquhounia coccinea)為唇形科(Lamiaceae)火把花屬(Colquhounia)灌木,其花特征符合鳥媒綜合征的描述,且一些具有吸蜜習(xí)性的雀形目鳥類常出現(xiàn)在火把花植株上,因此推測該植物能夠吸引鳥類取食花蜜并可能由訪花的鳥類進(jìn)行花粉傳播。同時(shí),火把花具有顏色艷麗、花展示大和花期長等特點(diǎn),且通常為1～2 m 高的灌木,為兼具觀賞價(jià)值和引鳥作用的優(yōu)良園林植物。目前,有關(guān)火把花屬植物的研究很少,除前人對幾種火把花屬植物腺毛的次生代謝產(chǎn)物的研究[11-13]外,鮮見有關(guān)該屬植物繁殖生物學(xué)方面的研究。因此有必要對火把花的繁殖生物學(xué)進(jìn)行初步摸索,為將來利用提供背景知識。本研究為弄清火把花的訪花動(dòng)物物種及比例并檢驗(yàn)其傳粉作用,尤其是在自然生境和人工生境中是否有引鳥作用,對火把花的開花生物學(xué)特征進(jìn)行定量分析,檢驗(yàn)火把花的交配系統(tǒng),包括自交親和程度和自動(dòng)自花傳粉的能力,檢測不同授粉處理種子的發(fā)芽能力。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于云南省大理白族自治州鶴慶縣西邑鎮(zhèn)和中國科學(xué)院昆明植物研究所。位于鶴慶縣西邑鎮(zhèn)的研究地為自然生境,地處100°9′E、26°13′N,海拔2 407 m,該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫16.5℃,年平均降水量918.7 mm。位于昆明植物研究所的研究地為人工生境,地處102°44′E、25°08′N,海拔1 966 m,該地區(qū)也屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫14.9℃,年平均降水量約為1 000.5 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 開花物候及花部綜合特征觀測

在2021年9—11月和2022年9—11月對火把花進(jìn)行群體花期觀察。隨機(jī)選取10株火把花個(gè)體,每個(gè)體選取3朵未開放的花蕾,在花朵打開前使用吊牌進(jìn)行標(biāo)記,每天同一時(shí)間觀察其開花狀態(tài)并記錄花朵開放及凋謝的時(shí)間。

使用游標(biāo)卡尺測量花冠筒長度和花冠筒開口直徑,樣本量分別來自不同植株的45,60朵花?；鄣捏w積和濃度分別使用直徑為1 mm 的玻璃微毛細(xì)管、手持式測糖儀(Bellingham&Stanley,0～50%)進(jìn)行測量,樣本量為40,每個(gè)樣本來自不同植株上隨機(jī)的3朵花。將采集到的花蜜保存在75%酒精中,儲存于1.5 m L 離心管,使用高效液相色譜儀(HPLC)對花蜜糖組成[蔗糖/(葡萄糖+果糖)]進(jìn)行分析,樣本量為19。

1.2.2 訪花動(dòng)物觀察

訪花動(dòng)物觀察選在火把花的盛花期且天氣晴朗時(shí)進(jìn)行,其中自然生境的訪花動(dòng)物觀察開始于2021年10月中旬和2022年10月初,累計(jì)觀察時(shí)長分別是52 h、40 h。而人工生境的訪花動(dòng)物觀察開始于2022年10月中旬,累計(jì)觀察時(shí)長20 h。在進(jìn)行訪花動(dòng)物觀察時(shí),均以每1 h為1個(gè)觀察時(shí)間段,每個(gè)時(shí)間段隨機(jī)選取1個(gè)植株上一定數(shù)量(30～60朵)開放的花朵作為觀察對象,每個(gè)時(shí)間段結(jié)束后換另一組花繼續(xù)觀察,觀察期間詳細(xì)記錄訪花者的種類、行為和訪花次數(shù)。

1.2.3 授粉試驗(yàn)

隨機(jī)選取20個(gè)火把花植株,在每個(gè)植株上開展5組授粉處理(每組處理10朵花),用以檢驗(yàn)火把花的交配系統(tǒng)以及鳥類和昆蟲在傳粉上的作用。(1)對照:只進(jìn)行掛牌操作。(2)自動(dòng)自花授粉:使用細(xì)網(wǎng)紗袋(孔徑為0.3 mm×0.3 mm,下同)套住花蕾,用以排除所有訪花者,后續(xù)不進(jìn)行任何授粉處理。(3)異交:取其他植株的花粉進(jìn)行授粉操作。(4)自交:取同株植物的花粉進(jìn)行授粉操作。在開花前使用細(xì)網(wǎng)紗袋對花蕾進(jìn)行套袋處理,待花朵打開后取下網(wǎng)袋進(jìn)行授粉,授粉完成后再把花序重新套住。(5)排除鳥類:在開花前使用網(wǎng)材(孔徑為30 mm×30 mm)將花蕾套住直到花朵凋謝,隔離鳥但允許昆蟲的訪問。對所有的授粉處理進(jìn)行掛牌、標(biāo)記,待花朵凋謝后將網(wǎng)袋和網(wǎng)材取下。于果實(shí)成熟期統(tǒng)計(jì)各處理的座果率(果實(shí)數(shù)/花朵數(shù)×100%)。

1.2.4 種子萌發(fā)試驗(yàn)

將每組授粉處理的火把花種子作為萌發(fā)試驗(yàn)材料,以檢驗(yàn)不同授粉處理對種子發(fā)芽率的影響。其中對照種子231粒,異交種子235粒,自交種子196粒,排除鳥類種子235粒。將各組授粉處理的種子分別置于裝有1%瓊脂、直徑為100 mm 的一次性塑料培養(yǎng)皿中,并放到培養(yǎng)條件為光13 h(25℃)/暗11 h(15℃)交替的智能型光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。每天定時(shí)澆1次純凈水,每個(gè)培養(yǎng)皿2～3滴。種子萌發(fā)以出現(xiàn)露白為標(biāo)記,每日同一時(shí)間記錄培養(yǎng)皿中種子發(fā)芽個(gè)數(shù),直至所有種子連續(xù)3 d無新發(fā)芽種子。發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用WPS Office和R 3.5.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。采用具有二項(xiàng)分布的廣義線性混合模型[14]對不同授粉處理的座果率和種子發(fā)芽率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以個(gè)體作為隨機(jī)效應(yīng),按花數(shù)加權(quán)座果數(shù)、種子數(shù)加權(quán)發(fā)芽數(shù)(P<0.05)?；鸢鸦ǖ膯位ɑㄆ凇⒒ńY(jié)構(gòu)性狀和花蜜特征、座果率及發(fā)芽率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。用Origin 2021和WPS Office軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 開花動(dòng)態(tài)

火把花的花期為9月初至11月底,10月1日左右達(dá)到盛花期,單花持續(xù)時(shí)間(9.6±0.6)d。單花開花過程表現(xiàn)為:花蕾期花蕾先逐漸膨大,接著花蕾慢慢變蓬松,花瓣打開;花朵打開后花藥開裂而暴露出花粉,大約1 d后柱頭開始從花冠筒底部伸出且柱頭裂片張開,隨后達(dá)到可授性,花朵達(dá)到盛開狀態(tài);花朵在盛開狀態(tài)后逐漸枯萎,接著整個(gè)花冠枯萎直至掉落,花萼宿存?；ü陬伾珡幕ü谏斐龅绞⒒ㄆ跓o明顯變化,花冠枯萎后為暗紅色。在花冠枯萎的過程中,柱頭和花藥的距離也明顯增加(圖1,A)。

A.不同時(shí)期花部形態(tài)的變化(從上到下:雄花期、柱頭伸出、花朵枯萎);B.花朵解剖圖。圖1 火把花的花部特征A.Morphological changes of flowers in different periods(Top to bottom,the male stage of flowering.the stigma extended.the flowers withered).B.The anatomical drawing of flower.Fig.1 Floral traits of C.coccinea

2.2 花部綜合特征

火把花花序?yàn)檩唫慊ㄐ?6～20 朵花;花冠唇形,橘紅色,花朵無氣味;花冠筒向外彎曲,從上到下明顯收縮,花筒底部稍微膨脹,用于貯藏花蜜;雄蕊4,前對較長,為二強(qiáng)雄蕊;花柱略與雄蕊等長,柱頭尖端淺裂(圖1,A、B)。火把花花冠筒長度較短,為(19.1±0.3)mm,開口較狹窄,能分泌較豐富和稀薄的花蜜,且花蜜中蔗糖含量所占比例為(19.5±0.0)%(表1),因此,火把花的花蜜中己糖占主導(dǎo)。

表1 火把花的花結(jié)構(gòu)性狀和花蜜特征Table 1 Floral structure traits and nectar characteristics of C.coccinea

2.3 訪花動(dòng)物的種類、比例及訪花行為

2021年自然生境訪花觀察發(fā)現(xiàn)5種訪花動(dòng)物,分別是灰腹繡眼鳥(Zosterops palpebrosus)、中華蜜蜂(Apis cerana)、棕肛鳳鹛(Yuhina occipitalis)、藍(lán)喉太陽鳥(Aethopyga gouldiae)和黑帶食蚜蠅(Episyrphus balteatus)。2022年自然生境觀察到訪花動(dòng)物與2021年相似,分別是灰腹繡眼鳥、中華蜜蜂、藍(lán)喉太陽鳥、黑帶食蚜蠅和黑胸太陽鳥(Aethopyga saturata)。從2021—2022 年火把花自然生境的訪花動(dòng)物比例可以看出,訪花比例最高的是灰腹繡眼鳥,其次是中華蜜蜂,這兩者的訪花比例都高于其他訪花動(dòng)物(圖2)。2022年人工生境觀察到的訪花動(dòng)物有灰腹繡眼鳥和中華蜜蜂,灰腹繡眼鳥的訪花比例高于中華蜜蜂(圖2)。訪花動(dòng)物訪問火把花的照片如圖3所示,由于黑胸太陽鳥和黑帶食蚜蠅訪問單花的時(shí)間很短,故沒有拍攝到它們的訪花照片。鳥類在訪問火把花時(shí)將喙插入花冠筒中取食花蜜,在取蜜過程中通過前額羽毛與花藥和柱頭接觸。中華蜜蜂在訪花時(shí)頭部鉆進(jìn)花冠筒內(nèi)部,其胸部背板上會攜帶一些花粉,在隨后連續(xù)訪問附近的花朵時(shí),胸部背板位置剛好可以觸碰到柱頭。黑帶食蚜蠅的訪問頻率很低,且只取食花粉,很少或幾乎不能與柱頭接觸。

括號內(nèi)數(shù)字代表總訪問次數(shù)。圖2 2021—2022年火把花訪花動(dòng)物比例The numbers in parentheses indicate total visits.Fig.2 Proportion of visitors in C.coccinea from 2021-2022

A.灰腹繡眼鳥;B.棕肛鳳鹛;C.藍(lán)喉太陽鳥;D.中華蜜蜂。圖3 火把花的主要訪花動(dòng)物A.Zosterops palpebrosus.B.Yuhina occipitalis.C.Aethopyga gouldiae.D.Apis cerana.Fig.3 The main visitors of C.coccinea

2.4 繁育系統(tǒng)

該試驗(yàn)進(jìn)行的5種火把花授粉處理中,自動(dòng)自花授粉處理的座果為0,另外4種授粉處理都能座果,且座果率均達(dá)到50%以上。其中,座果率最高的是對照[(70.00±8.26)%],其次是異交[(58.06±7.64)%]和排除鳥[(57.50±6.98)%],最低的是自交[(55.28±7.36)%](圖4),但上述4種授粉處理間的座果率均無顯著差異。

圖4 火把花不同授粉處理的座果率Fig.4 Proportion fruit set in different pollination treatments of C.coccinea

2.5 種子萌發(fā)特性

火把花4種授粉處理的種子進(jìn)行萌發(fā)時(shí)均有發(fā)芽種子,其中,發(fā)芽率最高的是排除鳥[(34.57±9.19)%],其次是自交[(33.55±10.25)%],對照的發(fā)芽率較低[(21.42±7.65)%],最低的是異交[(20.38±6.47)%](圖5),但上述4種授粉處理間種子的發(fā)芽率均無顯著差異。

圖5 火把花不同授粉處理種子的發(fā)芽率Fig.5 Seed germination rate in different pollination treatments of C.coccinea

3 討論

火把花的花朵不但表現(xiàn)出顏色橘紅、無氣味和管狀等特點(diǎn),而且花蜜較豐富且稀薄,尤其還具有較短的花冠筒和己糖為主的花蜜糖組成,這些花特征構(gòu)成典型的涉及泛化鳥媒傳粉[15]的鳥媒花綜合征。泛化鳥類訪花現(xiàn)象廣泛存在于亞洲和非洲,在中國已報(bào)道的被泛化鳥類訪問的鳥媒植物涉及杜鵑花科、薔薇科和金縷梅科[3,5,7]等多個(gè)科的物種,泛化鳥類包括繡眼鳥科、鵯科和畫眉科等取食行為較泛化的類群。本研究觀察發(fā)現(xiàn),火把花在自然生境和人工生境下都能夠吸引鳥類對其進(jìn)行訪問,這些鳥類也以短喙的泛化鳥類為主(圖2),且火把花與泛化鳥類訪問的其他植物的花一樣具有較短、不足2 cm 的花冠筒(表1),因此這與預(yù)測一致。此外,火把花花蜜的低蔗糖特點(diǎn)(表1)也與此前學(xué)者總結(jié)的“泛化鳥類傳粉的植物的花蜜蔗糖含量較低”的規(guī)律[2]相符。該研究結(jié)果增添了1個(gè)鳥類訪問的本土植物新屬,可以促進(jìn)人們對本土植物與鳥類互作的進(jìn)一步了解。同時(shí),這也說明火把花確實(shí)具備作為引鳥植物材料的潛力。值得注意的是,本研究僅涉及兩個(gè)研究地點(diǎn),記錄到的訪花鳥類有限?？紤]到泛化訪花鳥類物種的多樣性和取食的隨機(jī)性,火把花很可能在不同地理區(qū)域會吸引諸多其他種類的鳥類。

具有鳥類傳粉綜合征的植物也往往多少能夠受到昆蟲的訪問,這一點(diǎn)在很多類群中有報(bào)道[16-17]。在物種中進(jìn)行套袋排除鳥類訪花者的結(jié)果一般會導(dǎo)致繁殖成功率顯著下降[7,18-19],但這在火把花的試驗(yàn)中并沒有體現(xiàn)?？紤]到昆蟲訪花時(shí)的行為,這個(gè)結(jié)果也就并不意外,即蜜蜂訪問時(shí)很容易接觸有效部位并成功傳粉(圖3,D),而昆蟲在訪問其他一些具備泛化鳥類傳粉綜合征的植物時(shí)往往難以接觸這些有效部位。另一方面,本研究的觀察也顯示訪花鳥類,尤其是短喙的繡眼鳥和棕肛鳳鹛也能夠接觸花蕊(圖3,A、B),因此可以推測它們也是有效傳粉者,但有效性需要進(jìn)一步的試驗(yàn)來進(jìn)行定量分析。總體上看,火把花的傳粉系統(tǒng)可以算是兼具鳥和昆蟲的雙峰型,這與傳粉綜合征概念的預(yù)測有一定出入。傳粉綜合征暗示植物與傳粉者的關(guān)系相對特化,即一種植物對應(yīng)一個(gè)傳粉者功能群[20],例如蜂或鳥等。另一方面,很多研究已證明這個(gè)理論只是有部分的指導(dǎo)和預(yù)測作用,實(shí)際的植物與傳粉者互作關(guān)系往往更泛化[21],火把花顯然屬于這種情況。該結(jié)果也與Chen等認(rèn)為舊世界鳥媒相對更泛化的推測[22]相符。

火把花的傳粉雖然必須依賴訪花動(dòng)物,但自交親和性顯著(圖4)。這種交配系統(tǒng)在植物界廣泛存在,尤其常見于橫斷山區(qū)域的其他類群[23-27]。此外,火把花表現(xiàn)出雌雄異熟的特點(diǎn)(圖1)。雌雄異熟被認(rèn)為是植物避免雌雄功能相互干擾、提高異交率的機(jī)制[28]。盡管火把花柱頭開裂并伸出后距離花藥很近,但始終未接觸花藥(圖1),顯然這是不能自動(dòng)自花授粉的原因。有大量證據(jù)表明,由于傳粉不充分,植物經(jīng)常存在花粉限制,這在依賴動(dòng)物傳粉的植物中尤其常見[29-30]?；ǚ巯拗剖怯绊懛敝吵晒Φ闹匾拗埔蛩豙31]。然而,本研究結(jié)果顯示火把花的繁殖不存在傳粉限制,自然情況下火把花能夠產(chǎn)生豐富的種子,這一點(diǎn)與另一些植物的情況[32-33]類似。自交親和植物的自交得到的種子活力往往較低[34],但是火把花的種子活力檢測結(jié)果表明不同授粉處理得到的種子萌發(fā)情況并無顯著不同(圖5),因此更進(jìn)一步說明火把花是一種充分自交親和的植物。此外,火把花種子在成熟后立即播種表現(xiàn)出較高的發(fā)芽率說明該植物種子不存在明顯休眠期,這種無休眠期的現(xiàn)象也見于其他一些灌木種子,如遼東丁香(Syringa wolfii)和連翹(Forsythia suspensa)的種子[35]。此外,對火把花在常溫貯藏5 個(gè)月后進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn),該試驗(yàn)萌發(fā)條件與12月份的種子萌發(fā)試驗(yàn)條件相同,部分個(gè)體有超過1/2的種子能夠發(fā)芽,說明火把花的種子耐儲藏。因此,通過有性繁殖是大量繁育火把花幼苗的簡單可行的途徑。